第十講化學(xué)與新能源課件

一、目前的能源結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀世界能源主要依賴不可再生的化石資源；我國能源結(jié)構(gòu)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙層壓力；其其煤石油天然氣其他中國石油煤天然氣其他世界

CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

1一、目前的能源結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀世界能源主要依賴不可再生的化石資源；當(dāng)前的能源問題：(1)石油價(jià)格飆漲；化石燃料逐漸枯竭(2)全球暖化，空氣污染及溫室氣體濃度增加2當(dāng)前的能源問題：2化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的原理的發(fā)現(xiàn)和各式各樣電池裝置的發(fā)明，是貯能和供能技術(shù)的巨大進(jìn)步，是化學(xué)對(duì)人類的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)，極大地推進(jìn)了現(xiàn)代化的進(jìn)程，改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量化學(xué)電源又稱電池，是一種能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置，它通過化學(xué)反應(yīng)，消耗某種化學(xué)物質(zhì)，輸出電能。3化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的原理的發(fā)現(xiàn)和各式各樣電池裝置的發(fā)明，是貯能◆1800伏特電池可以說是今日電池的起源◆其后的一個(gè)重要發(fā)展則是丹尼爾(1776-1827)以鋅浸于稀酸電解質(zhì)與銅浸于硫酸銅溶液所形成的丹尼爾電池，改善了原本電池電流遞減的缺點(diǎn)，增進(jìn)連續(xù)放電時(shí)的性能。◆1864勒克朗舍提出了勒克朗舍電池，并幾經(jīng)改良，成了現(xiàn)今一般干電池工業(yè)的主軸與一次電池工業(yè)的基礎(chǔ)?！?859二次電池--普朗特所發(fā)明的鉛酸蓄電池，因技術(shù)的開發(fā)與改進(jìn)，又陸陸續(xù)續(xù)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等的出現(xiàn)。今日，電池的改進(jìn)與新式電池的發(fā)明仍然持續(xù)進(jìn)行中，像是鋰離子電池、高分子鋰電池、燃料電池、太陽能電池等，隨時(shí)因應(yīng)不同時(shí)代人們的需求。★1839WilliamR.Grove（1811－1896）發(fā)明燃料電池(當(dāng)時(shí)稱作氣體電池)電池的演進(jìn)

4◆1800伏特電池可以說是今日電池的起源電池的演進(jìn)4電池的發(fā)現(xiàn)史1780年時(shí)意大利LuigiGalvani(1737-1798)發(fā)現(xiàn)以不同金屬觸及死去的青蛙時(shí)，青蛙會(huì)抖動(dòng)。他認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了新的電源—?jiǎng)游镫姟?/p>

5電池的發(fā)現(xiàn)史1780年時(shí)意大利5伏打與伏打電池

意大利人伏打(AlessandroVolta1745~1827)則認(rèn)為電的來源不是青蛙，是不同的金屬接觸所造成，青蛙只是讓我們知道電流通過的『電流計(jì)』而已。

6伏打與伏打電池意大利人伏打6鋅板鹽水布銀板負(fù)極正極鋅板鹽水布銀板一個(gè)伏打電池的組成伏打的研究證實(shí)，將兩種不同的金屬以導(dǎo)線連接，中間隔有可導(dǎo)電的物質(zhì)，就會(huì)產(chǎn)生電流。伏打電池的組成公元1800年伏打以含食鹽水的濕抹布夾在銀和鋅的圓形板中間形成伏打電池。7鋅板鹽水布銀板負(fù)極正極鋅板鹽水布銀板一個(gè)伏打電池的組成伏打的一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池負(fù)極正極五個(gè)伏打電池組成的伏打電堆伏打電池的組成按銀→布→鋅→銀→布→鋅．．．的次序，積成圓柱，便形成所謂的「伏打堆」98一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池一個(gè)伏打電池伏打電池的原理活性大的金屬：活性小的金屬：易失去電子

?易得到電子

?為電池負(fù)極為電池正極對(duì)氧活性大小：鉀＞鈉＞鈣＞鎂＞鋁＞碳＞鋅＞鉻＞鐵＞錫＞鉛＞銅＞汞＞銀＞鉑＞金

伏打電池：由不同金屬片插入電解質(zhì)溶液而成的電池。9伏打電池的原理活性大的金屬：活性小的金屬：易失去電子?易得鋅銅mA硫酸鋅溶液硫酸銅溶液mA硝酸鉀溶液2e-鋅銅電池-構(gòu)造1110鋅銅mA硫酸鋅溶液硫酸銅溶液mA硝酸鉀2e-鋅銅電池-構(gòu)造

鋅銅電池：鋅：銅：失去電子?得到電子?負(fù)極正極利用鋅和銅兩種【活性大小】不同的金屬及中間可導(dǎo)電的物質(zhì)--【鹽橋】，制成的化學(xué)電池。鋅銅電池－原理∵鋅

的活性＞銅

的活性硫酸鋅溶液硫酸銅溶液硝酸鉀溶液

鋅mA銅負(fù)極正極2e-∴鋅較銅易失去電子(復(fù)興正統(tǒng))負(fù)鋅正銅1211鋅銅電池：鋅：銅：失去電子?得到電子?負(fù)極正極利用鋅和銅SO42-鋅板質(zhì)量將減少銅板質(zhì)量將增加

硫酸鋅溶液硫酸銅溶液鹽橋：硝酸鉀溶液鋅片放出電子而解離出鋅離子(Zn2+)硫酸銅溶液中的Cu2+移向銅片得到電子而析出銅。負(fù)極：

Zn→Zn2++2e-

正極：Cu2++2e-→Cu

----------------------------------負(fù)極反應(yīng)：正極反應(yīng)：Zn→Zn2++2e-Cu2++2e-→Cu

總反應(yīng)：Zn+Cu2+→Zn2++Cu××硫酸鋅溶液2e-Zn2+Cu2+硝酸鉀溶液

鋅銅mA硫酸鋅溶液顏色不變硫酸銅溶液顏色變淡負(fù)極正極1312SO42-鋅板質(zhì)量將減少硫酸鋅溶液硫酸銅溶液鹽橋：硝酸鉀溶液鹽橋中，

向正極移動(dòng)，

向負(fù)極移動(dòng)，?

使溶液保持電中性。

鹽橋：鹽橋可以把兩種隔離的溶液聯(lián)系起來，可以避免兩溶液混合，并做電流的橋梁。?維持電中性：

鹽橋的功用：?溝通電路：NO3-K+以U形管內(nèi)的鹽類水溶液（KNO3）把兩種隔離的水溶液聯(lián)系起來以溝通電路。SO42-硫酸鋅溶液硫酸銅溶液硫酸鋅溶液2e-Zn2+Cu2+2NO3-2K+硝酸鉀溶液

鋅銅mA1413鹽橋中，向正極移動(dòng)，鹽橋：鹽橋可以把兩種隔【電池的電動(dòng)勢】

電池產(chǎn)生電力的大小，通常我們是以電壓(V)來衡量，單位定為伏特(V)。電池的電壓與電動(dòng)勢(△E)

(electromotiveforce，簡稱emf)常被視為同義字。14【電池的電動(dòng)勢】電池產(chǎn)生電力的大小，通常我們是以電壓(V)以鋅銅電池為例子：鋅銅電池的陽極(anode)與陰極(cathode)分別是以鋅、銅所制成，其中銅極浸置于硫酸銅溶液中，而鋅極則浸置于硫酸鋅溶液中。電池結(jié)構(gòu)雖然簡單，卻可產(chǎn)生約1.1V的電壓值。實(shí)驗(yàn)顯示：當(dāng)鋅－銅電池以導(dǎo)線接通時(shí)，鋅極會(huì)自發(fā)性地發(fā)生氧化反應(yīng)Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-，而產(chǎn)生電子。產(chǎn)生的電子會(huì)從電位較高的鋅極流向電位較低的銅極15以鋅銅電池為例子：鋅銅電池的陽極(anode)與陰極(半電池電位(標(biāo)準(zhǔn)還原電位)下表是解離不同金屬的氧化電位（于25℃時(shí)）。正負(fù)號(hào)標(biāo)示相對(duì)于氫的電位。構(gòu)成電池的二個(gè)半電池分別具有各電極固有的電位，其電位差之絕對(duì)值就是該電池的電壓。而電極的固有電位，稱為半電池電位Zn→Zn2++2e-Zn2++2e-→

Zn氧化反應(yīng)還原反應(yīng)還原電位=-0.76V氧化電位=0.76V1716半電池電位(標(biāo)準(zhǔn)還原電位)下表是解離不同金屬的氧化電位（于2氧化電位ZnCuAgH2MgZn2+Cu2+Ag+H+Mg2+0.762.370-0.34-0.8Mg(s)＋Ag+(aq)→Mg2+(aq)＋Ag(s)Zn(s)＋Cu2+(aq)→Zn2+(aq)＋Cu(s)電位=2.37–(-0.8)=3.17電位=0.76–(-0.34)=1.1Cu(s)＋Mg2+(aq)→Cu2+(aq)＋Mg(s)電位=(-0.34)–2.37=-2.71(不反應(yīng))1817氧化電位ZnCuAgH2MgZn2+Cu2+Ag+H+Mg2Nernstequation(能斯特方程式)化學(xué)能與電能之間的關(guān)系可以借由Nernstequation轉(zhuǎn)換計(jì)算ΔG＝-nＶFΔG：化學(xué)能n：電子轉(zhuǎn)移mol數(shù)Ｖ：電池電壓F：法拉第常數(shù)(96500庫侖/1mol)WaltherNernst(1864-1941)TheNobelPrizeinChemistry1920

例如：甲醇燃燒反應(yīng):1mol電子轉(zhuǎn)移數(shù)n=6CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O△H=-698.2KJ/mol甲醇燃料電池的理想電壓等于1.21伏特。

18Nernstequation(能斯特方程式)化學(xué)能與電能之化學(xué)能變電能的計(jì)算ΔG＝－n×F×V電池單位：(J)＝(mole)×(coul/mole)×(J/coul)其中n為鋅所失去或銅離子所接受的電子數(shù)(莫耳)，而V是電池所能產(chǎn)生的最大電壓值。舉例來說，鋅-銅電池的理想電動(dòng)勢為1.10伏特時(shí)，所釋出的理想電能為ΔG=－n×F×V電池＝－2×96500×1.10＝－212300(J)，故鋅-銅電池所能釋出的理想最大電能為212.300(KJ)

19化學(xué)能變電能的計(jì)算ΔG＝－n×F×V電池19電池之反應(yīng)方程式為aA+bB

cC+dDΔE(電壓)=ΔE0(標(biāo)準(zhǔn)電壓)－(RT/nF)lnQ在25℃時(shí)ΔE=ΔE0－(0.059/n)logQQ=影響電壓的因素：溫度、濃度R=0.082T=凱氏溫度(K)F=96500庫侖ln=自然對(duì)數(shù)log=以10為底的對(duì)數(shù)n=反應(yīng)電子的mol數(shù)

20電池之反應(yīng)方程式為aA+bBcC+dDR=一次電池：如普通干電池、堿性鋅錳電池、鋅銀紐扣電池等。（只放不充，環(huán)境污染）二次電池：如鉛蓄電池、鋅銀蓄電池、鎘鎳電池、鋰離子電池等。放電為原電池，充電為電解池。（可放可充，發(fā)展方向）燃料電池：如氫氧燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池等。（能量很高，前景遠(yuǎn)大）其他電池：如海水電池、心臟起搏電池等。

（特殊用途，現(xiàn)代科技）常見化學(xué)電池21一次電池：如普通干電池、堿性鋅錳電池、二次電池：如鉛蓄普通干電池鋅銀紐扣電池堿性鋅錳電池一次電池22普通干電池鋅銀紐扣電池堿性鋅錳電池一次電池22二次電池鋰離子電池——高能、體積小、重量輕、質(zhì)能比高23二次電池鋰離子電池——23電池的分類原電池（使用后不能充電）

－干電池－堿性電池－水銀電池－鋰電池蓄電池（使用后可以充電）24電池的分類原電池（使用后不能充電）241、原電池：如：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

（1）定義：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置（2）電極反應(yīng)：

①負(fù)極：Zn－2e-==Zn2+(氧化反應(yīng))

電子流出的一極②正極：Cu2++2e-=Cu

(還原反應(yīng))

電子流入的一極極---有兩種活動(dòng)性不同的金屬（或一種是非金屬導(dǎo)體）作電極液---電極材料均插入電解質(zhì)溶液中路---兩極相連形成閉合電路自---一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)（3）構(gòu)成原電池的條件：Zn-+Cu

CuSO4Ae-251、原電池：如：Zn+Cu2+=Zn2++2、原電池的正、負(fù)極的判斷方法：（1）由組成原電池的兩極材料判斷。

一般是活潑的金屬為負(fù)極，活潑性較差的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為正極。若一極為金屬，另一極為石墨（或化合物），金屬為負(fù)極。（2）根據(jù)電流方向或電子流動(dòng)方向判斷。

（3）根據(jù)原電池的電解質(zhì)溶液內(nèi)離子的定向流動(dòng)方向（4）根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來判斷（5）電極的增重或減輕。

—+Ae-還原反應(yīng)氧化反應(yīng)陽離子陰離子電極質(zhì)量電極質(zhì)量262、原電池的正、負(fù)極的判斷方法：（1）由組成原電池的兩家庭小實(shí)驗(yàn)在一瓣橘子上相隔0.5cm分別插一小段銅片和鋁片，把銅片和鋁片的另一端通過導(dǎo)線接觸耳機(jī)的兩極，試試能否聽到“嘎嘎”聲。能夠從耳機(jī)中聽到“嘎嘎”聲，說明了什么？用其他金屬、水果、液體再試一試。27家庭小實(shí)驗(yàn)27干電池28干電池28干電池－鋅錳電池陰極﹙氧化作用﹚：鋅陽極﹙還原﹚：碳電解質(zhì)：糊狀的氯化銨氧化劑：氧化錳(IV)添加劑：碳粉可增加導(dǎo)電性能。29干電池－鋅錳電池陰極﹙氧化作用﹚：鋅29陰極﹙氧化作用﹚：

Zn(s)Zn2+(aq)+2e-陽極﹙還原作用﹚： 2NH4+(aq)+2e–

2NH3(aq)+H2(g)氫氣在陽極的周圍積聚，這會(huì)阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，令電流減少。因此須在電池內(nèi)加入一種氧化劑—氧化錳(IV)，以去除氫氣。 2MnO2(s)+H2(g)

Mn2O3(s)+H2O(

)30陰極﹙氧化作用﹚：30鋅離子則與氨反應(yīng)，生成絡(luò)合物。 Zn2+(aq)+2NH3(aq)+2Cl–(aq)

Zn(NH3)2Cl2(s)整體反應(yīng)： 2MnO2(s)+2NH4Cl(aq)+Zn(s)

Zn(NH3)2Cl2(s)+H2O(

)+Mn2O3(s)電池的總電壓約為1.5V。31鋅離子則與氨反應(yīng)，生成絡(luò)合物。31缺點(diǎn)：若電池放電太快，便不能及時(shí)去除生成的氣體，于是電壓會(huì)降低，須停止使用電池一段時(shí)間，電壓才能恢復(fù)原來的水平。這種電池的壽命亦較短。這是因?yàn)殇\電極和銨離子之間會(huì)有一種緩慢的直接反應(yīng)。經(jīng)過一段時(shí)間后，鋅外殼會(huì)變薄，電池內(nèi)的糊狀化學(xué)藥品便會(huì)泄漏出來。在電池外面加上一層鋼制或膠制的外殼可以防止糊狀化學(xué)藥品外泄。32缺點(diǎn)：32堿性電池正負(fù)極與干電池類似電解液：氫氧化鈉或氫氧化鉀等強(qiáng)堿放電時(shí)，鋅放出電子氧化成氧化鋅或氫氧化鋅，二氧化錳得到電子被還原成三氧化二錳電壓穩(wěn)定，使用時(shí)間較長久，在低溫時(shí)仍有良好的性能Back33堿性電池正負(fù)極與干電池類似Back33陰極﹙氧化作用﹚：鋅粉陽極﹙還原作用﹚：氧化錳(IV)電解質(zhì)：氫氧化鉀34陰極﹙氧化作用﹚：鋅粉34陰極﹙氧化作用﹚： Zn(s)+2OH–(aq)

ZnO(s)+H2O(l)+2e–陽極﹙還原作用﹚： 2MnO2(s)+H2O(l)+2e–

Mn2O3(s)+2OH–(aq)整體反應(yīng)：Zn(s)+2MnO2(s)

ZnO(s)+Mn2O3(s)35陰極﹙氧化作用﹚：35它的壽命較鋅碳電池長，產(chǎn)生的電流亦較穩(wěn)定。這種電池的鋼制外殼并不參與化學(xué)反應(yīng)，所以化學(xué)藥品不會(huì)外泄。這種電池的使用壽命比鋅碳電池的為長，適用于需要較大電流的電器，例如電動(dòng)玩具，但價(jià)格卻較鋅碳電池昂貴?？僧a(chǎn)生1.5V的電壓。36它的壽命較鋅碳電池長，產(chǎn)生的電流亦較穩(wěn)定。36水銀電池負(fù)極(陽極)：鋅殼

正極(陰極)：氧化汞電解質(zhì)：氫氧化鉀放電時(shí)，鋅失去電子生成氧化鋅，氧化汞得電子生成汞電壓值非常穩(wěn)定可供作手表、相機(jī)或計(jì)算器的電源Back37水銀電池負(fù)極(陽極)：鋅殼

正極(陰極)：氧化汞Back37陰極﹙氧化作用﹚：

Zn(s)+2OH–(aq)

ZnO(s)+H2O(l)+2e–陽極﹙還原作用﹚：Ag2O(s)+H2O(l)+2e–

2Ag(s)+2OH–(aq)整體反應(yīng)：Zn(s)+Ag2O(s)

ZnO(s)+2Ag(s)38陰極﹙氧化作用﹚：38電池體積小。使用壽命長。產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。不過價(jià)格比其它種類的干電池昂貴?？僧a(chǎn)生1.5V的電壓。39電池體積小。39鋰電池－鋰碘電池負(fù)極(陽極)：固定于鎳網(wǎng)上的金屬鋰

正極(陰極)：碘電解質(zhì)：薄層的碘化鋰芯片，介于陰極與陽極之碘還原成碘離子，金屬鋰被氧化成鋰離子碘化鋰電阻較高，輸出電流較微弱，但非常穩(wěn)定。適合作為心律調(diào)節(jié)器的動(dòng)力來源40鋰電池－鋰碘電池負(fù)極(陽極)：固定于鎳網(wǎng)上40拋棄式電池41拋棄式電池411.了解的新能源種類，就其感興趣的一種，知道它的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍，發(fā)展前景。2.核能發(fā)電的原理。3.核能應(yīng)用的利與弊。4、核能是如何產(chǎn)生的？如何實(shí)現(xiàn)安全控制？5.什么是可再生能源，核能是否屬于可再生能源。6.太陽能的利用方式包括哪些，列舉出其具體應(yīng)用（每種方式至少要列舉兩種應(yīng)用）。421.了解的新能源種類，就其感興趣的一種，知道它的特點(diǎn)、應(yīng)用7.目前我國在利用風(fēng)能的優(yōu)越性，有什么地方需要改進(jìn)？8.氫能源的優(yōu)點(diǎn)以及面臨的問題。9.為什么要提倡回收各種廢舊電池？10.化學(xué)電池的定義，種類。437.目前我國在利用風(fēng)能的優(yōu)越性，有什么地方需要改進(jìn)？43蓄電池44蓄電池442、鉛蓄電池兩組柵狀極板交替排列而成，正極板上覆蓋有PbO2負(fù)極上覆蓋有Pb電解質(zhì)是30%H2SO4溶液。放電時(shí)為原電池：

負(fù)極：Pb-2e-+SO42-==PbSO4

正極：PbO2+2e-+4H++SO